兴安落叶松林通量观测足迹与源区分布

王美媛，张秋良

(内蒙古农业大学林学院，内蒙古呼和浩特100019)

大气湍流中主要研究地与气间相互作用的过程，对气象及气候、区域水资源管理和分析等有着重要的指导作用，现阶段研究者对大气湍流的变化观测方法主要运用涡动相关法(Eddy Covariance)作为最主要的通量测量方法，在Fluxnet等众多研究中得到了广泛的应用［1］。随着研究的深入，涡度相关技术的进步使得通量研究长期定位观测成为可能［3-5］。涡动相关法采用的假设前提是定常、湍流充分发展、平均垂直速度为0、平均时间段内无水平平流影响［6］。在不同的大气层结稳定度、下垫面粗糙度、边界层厚度下的研究表明，生态系统通量数据的空间代表性沿上风向可达到几十米到几千米［7-8］。足迹与通量的观测有关，反映上风向源区权重函数对观测点的影响。但是在实际测量中，特别是在复杂地形上，这种假设条件常常难以满足，从而导致数据质量下降，所得结果的准确度降低［9-10］。目前，通量足迹分析多用涡动相关法进行观测，兴安落叶松林通量观测塔架设高度较高，用此方法适合分析较大通量观测区域足迹和贡献源区。

基于足迹分析模型(Footprint Tool)对通量足迹进行判别是对通量源区的重要分析方式。许多研究者利用不同的足迹工具对不同气候状态进行观测并分析不同生态系统的通量足迹和源区，但结合源区数据对兴安落叶松林通量空间分布进行研究的较少［11-12］。本研究旨在对不同风向条件下和不同生长尺度下进行通量足迹和贡献源区分析，计算观测塔周围不同风向上的足迹和源区大小及生长季和非生长季变化规律，评估通量源区的空间代表性，为兴安落叶松林的通量计算与评估提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古大兴安岭根河林业局潮查林场境内的兴安落叶松原始林内。地理坐标为50°49'－50°51'N、121°30'－121°31'E，海拔 800～1 000 m，地貌为低山山地，土壤为棕色针叶林土，有大面积连续多年冻土分布。属寒温带湿润季风性气候，具有冬季严寒而漫长、夏季短促湿热、无霜期短的特点，年平均气温－0.5℃，主要植被类型为寒温带针叶林，地带性植被为兴安落叶松。

2 研究方法

2.1 通量观测

通量依托于内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站，地理坐标为50°49'N，121°30'－121°31'E，海拔848 m，观测塔高度为65 m，在观测塔60 m处安装超风速仪(Model CSAT－3，Campbell Scientific)测定三维风速和温度脉动，采用红外线CO2/H2O 气体分析仪(Model Li－7500，Licor Inc)测定CO2与H2O密度脉动。所有采样频率为10 Hz的原始数据均利用数据采集器CR3000(Model CR3000，Campbell Scientific)记录和储存。观测塔配备的常规气象观测系统(RMET)包括:7层空气温/湿度(HMP45C，Vaisala，Finland)和风速仪(A100R，Campbell，USA)，上述数据采样频率均为 0.5 Hz，通过数据采集器CR1000在线计算并存储。

2.2 数据处理

选用2016年3－8月的通量数据经过Loggernet(CSI，USA)切割后，将ts格式转换为TOA5格式，再经过Eddypro软件进行传感器坐标旋转、频率响应修正、WPL修正、野点剔除，数据质量控制得到0.5 h的数据［12］，此时需对获得的数据集进行筛选:去除10 Hz原始数据中每0.5 h缺失率＞10%的数据;删除夜间摩擦风速＜0.15 m·s－1的数据［13-14］，得到相应数据。

2.3 通量贡献区模型及参数

2.3.1 Kormann and Meixner的足迹推导分析 根据Horst和Weil，三维源区的顺风标量浓度的概率分布可以用函数来描述［13］。该函数用2个独立的顺风标量浓度分布和水平风速垂直分布［u(z)］近似:

式中，x和y是x轴方向平均水平方向的水平空间变量;z是垂直空间变量;珔u(x)为羽流有效速度，在概率论中，y整个域的积分是x和z［cy(x，z)］中顺风标量浓度的边缘(横风积分)概率分布，将整合应用于双方得出:

根据K理论，对涡流扩散［K(z)］涡扩散系数垂直分布的乘积和垂直标量浓度梯度的标量通量。因此，侧风集成足迹［fy(x，z)］，即横风集成概率通量分布为:

在实际应用中分析 fy(x，z)，K(z)和 cy(x，z)必须用实测变量进行解析表示。

涡流扩散系数的垂直分布可以描述为:

式中，k是Karman常数0.41，n取决于表面层稳定性的幂指数;L为莫宁-奥布霍夫长度(Monin-Obukhov)。

以上方程表示在测量变量的涡流扩散系数的垂直分布。

2.3.2 Footprint Tool的输入参数 足迹模型需要输入观测高度、冠层高度、树冠面积密度、边界层厚度、显热通量等参数［16-20］。冠层高度、树冠面积密度由通量观测塔下样地每木检尺得到，其中边界层厚度由Obukhov-L决定，不同长度下的边界层厚度有所变化从而影响通量源区分布［21-24］，其他输入参数由EddyPro(6.2.0)输出数据中得到［25-29］。

3 结果与分析

3.1 涡动相关系统通量源区的分布

由于足迹模型主要利用大气层处于各种稳定度状态下近地层风速廓线、湍流扩散系数、廓线以及近地层的相似性，所以在不同大气稳定度状态下，通量源区的分布会有所不同，源区主风向与次主风向的方向有明显的方向相反，本研究采用数据中Obukhov稳定度参数区分大气稳定度，从而不同大气稳定度(z－d)/L下和通量源区的足迹分布和通量贡献率会有一定差异［30-33］。本研究分别计算了在不稳定和稳定2种大气稳定度状态时不同风向80%源区范围。其中，稳定度以(z－d)/L为判别标准，以(zd)/L＞0.1，(z－d)/L＜－0.1 将数据划分为稳定、不稳定2类。利用足迹模型分析不同风向上通量源区分布，分析接近主风向和次主风向时的不同大气稳定度状态时通量源区的分布。图1与坐标中心的圆形图标代表装载涡动相关系统的通量塔在通量足迹源区的位置(以图中阴影区域80%通量源区面积为测算对象，以下各图标准均相同)。

3.2 源区风向特征分析

图1中以22.5°风向角度为步长，可以看出以通量观测塔为中心的通量源区等风向和频率。在研究期间观测塔周边的主风向为东北方向。盛行东北风和北风，其次为次主风向西南风，其他风向频率较少，为非主风向。主风向东北风及北风的频率为32%、17.7%，平均风速为 0～8、0～6 m·s－1;次主风向西南风的频率为19.7%，平均风速为0～9 m·s－1;非主风向的频率分别为 3.74%、2.2%、2.7%、3.26%，平均风速为0～7 m·s－1。源区主风向与次主风向的方向有明显的方向相反，从而影响通量源区的足迹分布和通量贡献率。

图1 通量源区风向分布Fig.1 Distribution of wind direction in source area

3.3 不同风向下的通量源区分布

主风风向-东北风和北风风向下，大气处于稳定状态时，观测的通量源区大部分来自主风风向(图2和图3)。大气处于稳定条件时，通量源区沿主风向狭长分布，由图2测算出通量源区面积(以80%通量源区)约为0.225 2 km2。大气处于不稳定条件时，通量源区向主风向两侧扩展，由图3测算出通量源区面积(以80%通量源区)约为0.142 9 km2(图3)。源区形状与大气稳定条件时趋于相似，但明显在大气不稳定状态时的源区面积要小于稳定状态时的面积。大气处于不稳定条件时，通量源区向西南风方向两侧扩展。

次主风向-西南风向下，大气处于稳定状态时，观测的通量源区大部分来自西南风向(图4和图5)。通量源区沿主风向狭长分布，由图4测算出通量源区面积(以80%通量源区)约为0.216 3 km2。由图5测算出通量源区面积(以80%通量源区)约为0.159 2 km2。源区形状与大气稳定条件时趋于相似，但明显在大气不稳定状态时的源区面积＜稳定状态时的面积，源区轮廓与主风风向基本相似，只是区域变为迎风方向且随风向偏移。

图2 大气稳定状态时主风向通量源区Fig.2 Source area of main wind in stable

图3 大气不稳定状态时主风向通量源区Fig.3 Source area of main wind in unstable

图4 大气稳定状态时次主风向通量源区Fig.4 Source area of lesser wind in stable

3.4 生长季和非生长季通量源区分布

兴安落叶松林在生长季(6－8月)，非生长季(3－5月)通量源区大小有明显的变化，并且随风向改变。非生长季到生长季，源区主风向向东北方向集中和偏移(图6、图7)，生长季主风向上的通量源区面积在大气稳定状态下＜非生长季(图8、图9)，由图8测算出非生长季通量源区面积(以80%通量源区)约为0.191 2 km2。由图9测算出生长季通量源区面积(以80%通量源区)约为0.161 08 km2。

图5 大气不稳定状态时次主风向通量源区Fig.5 Source area of lesser wind in unstable

图6 大气稳定状态时非生长季通量源区风向Fig.6 Source area of non growing season in stable map of wind rose

图7 大气稳定状态时生长季通量源区风向Fig.7 Source area of growing season in stable map of wind rose

主风向下生长季和非生长季的通量源区(图10、图11)，在大气不稳定状态时受主风向影响，由图10算出非生长季通量源区面积(以80%通量源区)约为0.113 0km2。由图11测算出生长季通量源区面积(以80%通量源区)约为0.101 7 km2。

图8 大气稳定状态时非生长季通量源区Fig.8 Source area of non growing season in stable

图9 大气稳定状态时生长季通量源区Fig.9 Source area of growing season in stable

图10 大气不稳定状态时主风向非生长季通量观测源区Fig.10 Source area of non growing season under main wind in unstable

3.5 集成足迹的横风积分的足迹分布

结合表1，主风向稳定时横风积分峰值0.008＜不稳定时的峰值0.017 5，源区峰值距离210 m＞不稳定时的90 m距离;次主风向稳定时横风积分峰值0.007略小于不稳定时的峰值0.016，源区峰值距离266 m大于不稳定时的98 m距离;生长季稳定时主风向的横风积分峰值0.008小于不稳定时的峰值0.015，源区峰值距离215 m大于不稳定时的106 m距离;非生长季稳定时主风向的横风积分峰值0.008明显小于不稳定时的峰值0.013，源区峰值距离210 m大于不稳定时的122 m距离。

图11 大气不稳定状态时主风向生长季通量观测源区Fig.11 Source area of growing season under main wind in unstable

表1 不同风向和稳定度下的源区横风积分峰值及源区距离Table 1 Under different direction and stability range of area peak and cross wind integrated

4 结论与讨论

4.1 结论

以80%通量源区为测算对象，不同风向下大气处于稳定状态时，观测的通量源区主风向东北风-北风风向下面积最大，最大的主风向的源区面积要比不稳定时主风向的源区面积大近36%，风向和风速影响通量源区面积大小。生长季的源区在任何状态时均＜非生长季，在大气稳定状态时生长季的源区面积＜非生长季近15%，大气不稳定状态时生长季的源区面积＜非生长季9%。在大气处于稳定状态时不同风向下，大气处于稳定状态时源区横风峰值＜不稳定状态时的峰值，源区达到峰值距离约为稳定时的2倍。当大气处于稳定状态时，生长季的横风积峰值和源区峰值距离均＞非生长季。

4.2 讨论

根据风的主要频率和方向分为主风向和次主风向及其他风向(其他风向所占比重不足10%不加以讨论)，并计算主风向和次主风向的通量源区大小以及影响因素，比较生长季和非生长季通量足迹变化。同时，根据李晓梅［15］等对兴安落叶松林生长季和非生长季的划分，将3－5月划分为观测区非生长季，6－8月为生长季。采用基于KM模型原理开发的通量足迹工具估算了兴安落叶松原始林通量足迹和源区分布。了解不同时间尺度兴安落叶松林的实际地面贡献源区分布，引入通量足迹模型反映通量值测得实际地面贡献区分布。

研究发现，影响足迹分布的主要因素为大气稳定度、风向、风速、地表粗糙度等。在大气稳定状态时，湍流垂直扩散弱，以水平运动为主，源区范围延伸至上风向较远的地方，测得通量源区面积和空间范围扩大，大气处于稳定状态时源区面积达到最大0.225 2 km2。郑宁［2］等运用大孔径闪烁仪(LAS)法的印痕模型研究了华北地区山丘栓皮栎，其通量源区面积的变化与大气处于稳定状态时变化趋势相一致。

通量足迹位置方向与最大主风方向一致，在不同时间尺度上，风向影响通量足迹和源区的变化，观测主风向的方向影响最大通量贡献区的位置，测得主风向非生长季源区面积为0.113 0 km2，生长季的面积为0.101 74 km2，生长季和非生长季源区面积存在差异。由于兴安落叶松林在生长季时呼吸、光合作用增强，使得地与气之间的湍流交换频繁，物质垂直扩散加快，通量塔信息均来自通量塔近距离，通量源区小，生长季面积＜非生长季。赵晓松［21］等将Footprint模型应用于阔叶红松林中，结果表明在生长季的通量源区在任何条件小均＜非生长季。

相较下，兴安落叶松林大气稳定度变化与通量源区变化趋同。兴安落叶松林生长季时呼吸和光合作用加强，使得地与气之间的物质交换频繁，生长季时在主风向上大气处于不稳定状态下生长季源区面积最小，结果与前人研究一致。

但需要说明的是通量足迹模型虽然可以较好地分析兴安落叶松林生态下垫面通量足迹和源区的分布。但通过足迹模型的计算兴安落叶松林通量足迹源区分布受到测量高度、风向、大气稳定度、温度、气候等多种因素的影响，导致不同状态时源区分布不同，如果需要更加精确地计算非均匀森林下垫面的通量源区分布及足迹特征，需进一步深入计算和修正下垫面的地形起伏因素及林木冠层对粗糙度、边界层厚度和风速等的影响以便更明确了解涡动相关通量观测。

致谢:感谢中国林业科学研究院林业研究所郑宁在足迹模型应用和通量数据处理方面的指导、解答!